電子陶瓷材料與器件的電磁測(cè)試及片式諧振器與濾波器的研制.pdf

1、材料和器件的測(cè)試屬于一個(gè)交叉的課題，它要求研究人員既要有電學(xué)的基礎(chǔ)，又要對(duì)材料的知識(shí)有比較深入的了解。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在測(cè)試中的地位越來越重要，自動(dòng)測(cè)試和計(jì)算技術(shù)已經(jīng)滲入到測(cè)試的各個(gè)方面，因而，自動(dòng)測(cè)試還要求測(cè)試人員具有一定的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和軟件編制的能力。而隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，電子陶瓷在射頻/微波領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)廣大陶瓷材料研究人員來說，這是一個(gè)比較陌生的領(lǐng)域，微波測(cè)試一般要用到電磁場(chǎng)或者微波網(wǎng)絡(luò)的

2、知識(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)和測(cè)試中的計(jì)算都相當(dāng)復(fù)雜?；谶@些原因，有必要對(duì)電子陶瓷及器件的測(cè)試，從材料學(xué)和電學(xué)的角度，從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面，作全面地分析討論，并對(duì)測(cè)試方法和技術(shù)進(jìn)行研究。本文完整地研究了從低頻到微波范圍內(nèi)電子材料與器件的測(cè)試，設(shè)計(jì)和制作了一種新型的片式射頻諧振器和濾波器。從低頻到射頻/微波頻段的電磁參數(shù)測(cè)試是有很大不同的，本文詳細(xì)研究了基于集總參數(shù)的測(cè)試和基于分布參數(shù)的射頻/微波測(cè)試，研究了各種方法和相應(yīng)的測(cè)試

3、技術(shù)，設(shè)計(jì)了測(cè)試的硬件系統(tǒng)并編制了計(jì)算控制軟件，建立了自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)。目前，移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，要求更多的電子元件的片式化和集成化，本文還對(duì)射頻諧振器和濾波器的片式化進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)制作一種片式諧振器和濾波器并測(cè)試了它們的性能，得到了性能比較優(yōu)良的片式器件。對(duì)于電磁參數(shù)，在極寬的頻率范圍內(nèi)科學(xué)和工程上常采用復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，在物理學(xué)和電子學(xué)中常采用復(fù)阻抗，而在化學(xué)和電力工程中則更喜歡采用電容率和功率因數(shù)，在通信工程中

4、常采用復(fù)傳輸因子，在光學(xué)中常采用復(fù)折射指數(shù)。從本質(zhì)上說，它們都是與材料的復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)磁導(dǎo)率μ相關(guān)的。因而，材料性能最本質(zhì)的測(cè)試就是復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的測(cè)試。對(duì)射頻/微波器件而言，最重要的是其散射參數(shù)S的測(cè)試。本文將對(duì)這些參數(shù)的測(cè)試進(jìn)行研究。在低頻范圍內(nèi)(0.01Hz～200MHz)內(nèi)，常采用集總參數(shù)法，基本的測(cè)量方法有三種：電橋法，諧振法，矢量阻抗法。目前應(yīng)用最廣泛的是矢量阻抗法。本文詳細(xì)研究了它的基本測(cè)試技術(shù)，包括

5、儀器校正方法和夾具補(bǔ)償技術(shù)，分析了測(cè)試中的各種測(cè)試模型，并開發(fā)了一套多樣品(5個(gè))和多頻率(12個(gè))的材料溫度性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其溫度范圍為-200℃～250℃，配上高溫爐測(cè)試系統(tǒng)(西安交通大學(xué)電子材料研究所和同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所共同開發(fā))，測(cè)試溫度可達(dá)上千度。在射頻/微波范圍，采用分布參數(shù)技術(shù)，基本的測(cè)量方法包括傳輸反射法、諧振腔法、自由空間法等。本文詳細(xì)研究了諧振法、傳輸反射法、開路同軸線反射法等常用的測(cè)試方法。它們

6、分別能完成低損耗、中高損耗材料的電磁性能測(cè)試。對(duì)諧振法，詳細(xì)研究了它的諧振模式，并提出了一種TE01n(n>1)多模式的介電性能測(cè)試法，發(fā)展了傳統(tǒng)的單頻點(diǎn)測(cè)試，并相應(yīng)地提出了一種模式識(shí)別的方法，能快速而準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別模式；研究了腔體導(dǎo)電板的大小對(duì)測(cè)試誤差的影響，研究了導(dǎo)電板和樣品之間的空氣隙對(duì)測(cè)試的影響，分析了誤差的來源。實(shí)驗(yàn)證明它可以用來測(cè)量低損耗(～10-4或更小)的介質(zhì)材料，介電常數(shù)測(cè)量精度高達(dá)0.1％。它也可用來測(cè)

7、試磁性能。開路同軸線反射法，它主要是用于液體和半固體狀材料的測(cè)試，其測(cè)試誤差主要來源于探頭和材料之間的空氣隙。本文提出了一種消除空氣隙效應(yīng)的方法，能很好地消除空氣隙帶來的影響。實(shí)驗(yàn)證明，在消除這種影響前，介電常數(shù)誤差高達(dá)40％，空氣隙影響消除后，可減小到5％以內(nèi)。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)的片式射頻/微波器件，由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試夾具和校準(zhǔn)元件，完成精確的測(cè)試相當(dāng)困難。本文研究了片式器件的測(cè)試方法，制作了測(cè)試夾具，結(jié)合HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分

8、析儀研究了三種校準(zhǔn)方法：測(cè)試端延長法，去嵌入法，SOLT全兩端口校準(zhǔn)法。詳細(xì)介紹了SOLT校準(zhǔn)方法中的Short、Open、Load、Thru元件的制作及其電參數(shù)的標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了商用的濾波器和自行設(shè)計(jì)的濾波器，證明自行設(shè)計(jì)的夾具完全可以滿足片式射頻器件的測(cè)試需要。電子器件的片式化是電子器件發(fā)展的一大趨勢(shì)。本文分析了目前國內(nèi)國際常用的片式諧振器和濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制作方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的條件，設(shè)計(jì)了一種集總和分布參數(shù)相結(jié)合的

9、諧振器和濾波器，并進(jìn)行了性能模擬，研究了各種參數(shù)對(duì)器件性能的影響，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和參數(shù)；采用流延和疊層工藝，采用共燒技術(shù)，制作了應(yīng)用在移動(dòng)通訊頻段900MHz的器件，其中性能優(yōu)良的諧振器的Q值大于40，濾波器的帶內(nèi)損耗<5dB，帶外衰減大于25dB，已接近或相當(dāng)于商用器件的性能。關(guān)鍵詞：電子陶瓷、諧振器、濾波器、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試技術(shù)、儀器校正、夾具補(bǔ)償、溫譜測(cè)試、介質(zhì)諧振器測(cè)試腔、反射傳輸測(cè)試、同軸探針、片式陶瓷器